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关于后端:面试题-1709-第-k-个数-优先队列多路归并

jiezi

题目形容

这是 LeetCode 上的 面试题 17.09. 第 k 个数 ，难度为 艰难。

Tag :「优先队列（堆）」、「多路归并」、「双指针」

有些数的素因子只有 3，5，7，请设计一个算法找出第 k 个数。留神，不是必须有这些素因子，而是必须不蕴含其余的素因子。例如，前几个数按程序应该是 1，3，5，7，9，15，21。

示例 1:

输出: k = 5

输入: 9

根本剖析

本题的基本思路与 264. 丑数 II : 从奢侈优先队列到多路归并 完全一致。

优先队列（小根堆）

有了根本的剖析思路，一个简略的解法是应用优先队列：

  1. 起始先将最小数值 $1$ 放入队列
  2. 每次从队列取出最小值 $x$，而后将 $x$ 所对应的数值 $3x$、$5x$ 和 $7x$ 进行入队
  3. 对步骤 2 循环屡次，第 $k$ 次出队的值即是答案

为了避免同一数值屡次进队，咱们须要应用数据结构 $Set$ 来记录入过队列的数值。

Java 代码：

class Solution {public int getKthMagicNumber(int k) {int[] nums = new int[]{3, 5, 7};
        PriorityQueue<Long> q = new PriorityQueue<>();
        Set<Long> set = new HashSet<>();
        q.add(1L); set.add(1L);
        while (!q.isEmpty()) {long t = q.poll();
            if (--k == 0) return (int) t;
            for (int x : nums) {if (!set.contains(x * t)) {q.add(x * t); set.add(x * t);
                }
            }
        }
        return -1;
    }
}

Python3 代码：

class Solution:
    def getKthMagicNumber(self, k: int) -> int:
        nums = [3, 5, 7]
        q, vis = [], set()
        q.append(1)
        vis.add(1)
        while q:
            t = heapq.heappop(q)
            k -= 1
            if k == 0:
                return t
            for x in nums:
                if t * x not in vis:
                    heapq.heappush(q, t * x)
                    vis.add(t * x)
        return -1
  • 工夫复杂度：$O(k\log{k})$
  • 空间复杂度：$O(k)$

多路归并（多指针）

从解法一中不难发现，咱们「往后产生的数值」都是基于「已有数值」而来（应用「已有数值」乘上 $3$、$5$、$7$）。

因而，如果咱们最终的数值序列为 $a1,a2,a3,…,an$ 的话，序列中的每一个数都必然可能被以下三个序列（中的至多一个）笼罩：

  • 由数值 $\times 3$ 所得的有序序列：$1 \times 3$、$2 \times 3$、$3 \times 3$、$4 \times 3$、$5 \times 3$、$6 \times 3$、$8 \times 3$ …
  • 由数值 $\times 5$ 所得的有序序列：$1 \times 5$、$2 \times 5$、$3 \times 5$、$4 \times 5$、$5 \times 5$、$6 \times 5$、$8 \times 5$ …
  • 由数值 $\times 6$ 所得的有序序列：$1 \times 7$、$2 \times 7$、$3 \times 7$、$4 \times 7$、$5 \times 7$、$6 \times 7$、$8 \times 6$ …

举个🌰，假如咱们须要求得 $[1, 3, 5, 7, 9, 15, 21]$ 数值序列 $arr$ 的最初一位，那么该序列能够看作以下三个有序序列归并而来：

  • $1 \times 3, 3 \times 3, 5 \times 3, … , 15 \times 3, 21 \times 3$，将 $3$ 提出，即 $arr \times 3$
  • $1 \times 5, 3 \times 5, 5 \times 5, … , 15 \times 5, 21 \times 5$，将 $5$ 提出，即 $arr \times 5$
  • $1 \times 7, 3 \times 7, 5 \times 7, … , 15 \times 7, 21 \times 7$，将 $7$ 提出，即 $arr \times 7$

因而咱们能够应用三个指针来指向指标序列 $arr$ 的某个下标（下标 $0$ 作为哨兵不应用，起始都为 $1$），应用 $arr[下标] \times 系数 $（3、5 和 7）代表以后应用到三个有序序列中的哪一位，同时应用 $idx$ 示意以后生成到 $arr$ 哪一位数值。

Java 代码：

class Solution {public int getKthMagicNumber(int k) {int[] ans = new int[k + 1];
        ans[1] = 1;
        for (int i3 = 1, i5 = 1, i7 = 1, idx = 2; idx <= k; idx++) {int a = ans[i3] * 3, b = ans[i5] * 5, c = ans[i7] * 7;
            int min = Math.min(a, Math.min(b, c));
            if (min == a) i3++;
            if (min == b) i5++;
            if (min == c) i7++;
            ans[idx] = min;
        }
        return ans[k];
    }
}

TypeScript 代码：

function getKthMagicNumber(k: number): number {const ans = new Array<number>(k + 1).fill(1)
    for (let i3 = 1, i5 = 1, i7 = 1, idx = 2; idx <= k; idx++) {const a = ans[i3] * 3, b = ans[i5] * 5, c = ans[i7] * 7
        const min = Math.min(a, Math.min(b, c))
        if (a == min) i3++
        if (b == min) i5++
        if (c == min) i7++
        ans[idx] = min
    }
    return ans[k]
};

Python 代码：

class Solution:
    def getKthMagicNumber(self, k: int) -> int:
        ans = [1] * (k + 1)
        i3, i5, i7 = 1, 1, 1
        for idx in range(2, k + 1):
            a, b, c = ans[i3] * 3, ans[i5] * 5, ans[i7] * 7
            cur = min([a, b, c])
            i3 = i3 + 1 if cur == a else i3
            i5 = i5 + 1 if cur == b else i5
            i7 = i7 + 1 if cur == c else i7
            ans[idx] = cur
        return ans[k]
  • 工夫复杂度：$O(k)$
  • 空间复杂度：$O(k)$

最初

这是咱们「刷穿 LeetCode」系列文章的第 No. 面试题 17.09 篇，系列开始于 2021/01/01，截止于起始日 LeetCode 上共有 1916 道题目，局部是有锁题，咱们将先把所有不带锁的题目刷完。

在这个系列文章外面，除了解说解题思路以外，还会尽可能给出最为简洁的代码。如果波及通解还会相应的代码模板。

为了不便各位同学可能电脑上进行调试和提交代码，我建设了相干的仓库：https://github.com/SharingSou…。

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